السيارات الهجينة تكتسب زخما

ومع تحول مشتري السيارات إلى السيارات الهجينة ذات الكفاءة في استهلاك الوقود والتي تجمع بين البنزين والكهرباء، فإن حتى السيارات الهجينة الأكثر مراعاة للبيئة تلوح في الأفق بالفعل

بقلم جوزيف ج. روم وأندرو فرانك، من مجلة ساينتفيك أمريكان

وفي صيف عام 2005، عندما ارتفعت أسعار الوقود في الولايات المتحدة، بدأت سرقة السيارات الهجينة، التي تجمع بين محرك احتراق عادي ومحرك كهربائي يعمل بالبطارية، من صالات العرض، وهو مزيج يؤدي إلى توفير الوقود وتحسين الأداء. تقطع السيارة الأمريكية المتوسطة حوالي 10 كيلومترات لكل لتر، وفي المقابل تصل السيارة الهجينة كاملة المواصفات، مثل تويوتا بريوس على سبيل المثال، إلى ضعف المسافة بنفس الاستهلاك، وذلك حسب طبيعة القيادة. تضاعفت المبيعات السنوية للسيارات الهجينة في الولايات المتحدة في الفترة من 2004 إلى 2005 ووصلت إلى 200,000 ألف وحدة. ومن المتوقع أن يزيدوا ويتجاوزوا النصف مليون بحلول عام 2010. ومن المحتمل أنه بحلول عام 2020 ستأتي جميع طرازات السيارات مع خيار القيادة الهجينة.

وحتى ذلك الحين، ستعمل تقنية الجيل التالي، التي تسمى المكونات الهجينة، على تحسين استهلاك الوقود بشكل أكبر، وستوفر أيضًا بعض المزايا الإضافية: بطارية رخيصة الثمن سيتم شحنها طوال الليل من خلال اتصال بسيط بمنفذ الطاقة في المنزل أو في المنزل. العمل، ليس أكثر من بضع توقفات عند محطة الوقود كل عام وحتى فرصة لبيع الكهرباء الفائضة إلى شركة الكهرباء. وبصرف النظر عن الفوائد التي تعود على المستهلك، فإن السيارات الجديدة القابلة لإعادة الشحن ستساعد في تقليل انبعاثات الغازات الدفيئة، والتي ستنبعث بدلا من ملايين العوادم - من محطات الطاقة. اليوم، تعمل محطات الطاقة في الولايات المتحدة على حرق الفحم والغاز الطبيعي المحلي، وفي المستقبل ستكون قادرة على توليد كهرباء أنظف من مصادر الطاقة مثل الرياح والطاقة الشمسية وحتى الأنظمة المتقدمة لحرق الوقود المعدني، الذي يدفن ثاني أكسيد الكربون في الأرض. تربة.

لفهم الاتجاه الذي تتجه إليه صناعة السيارات الهجينة، عليك أن تنظر إلى الوراء وترى ما حدث للسيارات العادية. لمدة قرن من الزمان، استخدمت جميع المركبات تقريبًا محرك احتراق داخلي يحرق البنزين أو الديزل. وبالفعل في بداية القرن العشرين، حاول مهندسو النقل الترويج لفكرة الجمع بين محرك الاحتراق ومحرك كهربائي يعمل على بطارية لإضافة قوة حصانية وتحسين استهلاك الوقود، لكنهم توقفوا عن ذلك عندما أصبحت محركات الاحتراق الداخلي أكثر استخدامًا. قوية ولم تعد بحاجة إلى التحسين. كان الوقود رخيصًا ومتوفرًا بسهولة، ولم تكن محطات الطاقة المتعطشة للبنزين تمثل مشكلة حقيقية. حتى أيام أزمة النفط في السبعينيات، كان من المعتقد على نطاق واسع بين السائقين أنه لتحقيق استهلاك جيد للوقود، يتعين على المرء التضحية بالحجم والوزن والأداء. على الرغم من أن السيارات الصغيرة تلقت انتعاشًا مؤقتًا، إلا أن المركبات في الولايات المتحدة استمرت في النمو وزاد استهلاكها للوقود بمعدل هائل. مع بداية الارتفاع الحالي في أسعار النفط، عاد تحسين الاقتصاد في استهلاك الوقود ليصبح ميزة مرغوبة.

تجمع السيارات الهجينة اليوم بين التحكم الإلكتروني المتقدم في الطاقة ومحركين - عادي وكهربائي. وهذا يسمح بتحسين استهلاك الوقود وتقليل انبعاثات الغاز، إلى جانب تسارع ممتاز ومدى أطول. يمكن للسيارات الهجينة أن تحصل على محرك احتراق داخلي أصغر من السيارة العادية، لأن البطارية والمحرك الكهربائي يوفران المزيد من الطاقة عند الحاجة، عند التسارع أو الصعود.

يمكن أيضًا استخدام أي تقنية قادرة على تحسين استهلاك الوقود لزيادة القدرة الحصانية. حتى الآن، قامت أنظمة قيادة السيارات الهجينة بتحسين الكفاءة بشكل كبير، وتطور محركاتها الكهربائية تسارعًا عاليًا، حيث يستخدم مصنعو السيارات التكنولوجيا لزيادة القدرة الحصانية وتحسين استهلاك الوقود في نفس الوقت. على سبيل المثال، تحقق سيارة Ford Escape الهجينة استهلاكًا أفضل للوقود ولكنها توفر نفس القوة تقريبًا. تستخدم المركبات الهجينة الأخرى، مثل تويوتا هايلاندر، وهي سيارة رياضية رباعية الدفع، النظام الهجين لإجراء تحسينات متواضعة في كلا الفئتين.

ونظراً للتكلفة الإضافية للبطارية الكبيرة والمحرك الكهربائي والمكونات الإلكترونية الإضافية، فإن سعر السيارة الهجينة حتماً أعلى من سعر السيارة العادية. الرسوم الإضافية للسيارات الهجينة الموجودة حاليًا في السوق الأمريكية تتراوح من 3,000 إلى 7,000 دولار، والمتوسط ​​هو 4,000 دولار [في إسرائيل، السيارة الهجينة أرخص من نظيرتها العادية بسبب سياسة الضرائب المشجعة - المحررون]. يتم أيضًا دفع ثمن حزمة البطارية والمحرك الكهربائي من حيث الوزن: حوالي 5٪ من وزن سيارة هوندا أكورد الهجين، على سبيل المثال. الحمل الإضافي يقلل قليلاً من التحسن في استهلاك الوقود.

بالنسبة للسيارة التي تقطع مسافة 24,000 ألف كيلومتر سنويًا وتستهلك البنزين الذي يبلغ سعره 65 سنتًا للتر الواحد في الولايات المتحدة، فإن التكنولوجيا الهجينة التي تعمل على تحسين أداء استهلاك الوقود من 8 إلى 12.5 كيلومترًا للتر الواحد، يمكنك توفير ما يقرب من 600 دولار سنويًا [بالبنزين] للمستهلك الأسعار في إسرائيل، وهذا يوفر ما يقرب من 7,000 شيكل سنويا - المحررين]. لذا، بأسعار السيارات الهجينة اليوم، إلى جانب الإعفاء الضريبي الفيدرالي الجديد لشراء السيارات الهجينة في الولايات المتحدة، من الممكن استرداد الاستثمار في غضون بضع سنوات، إذا لم تأخذ في الاعتبار المزايا الأخرى، مثل النطاق المتزايد.

ولكن مع ارتفاع أسعار الغاز، فإن تحسين كفاءة السيارات الهجينة سوف يؤدي إلى تقصير فترة الاسترداد بشكل كبير. في الوقت الحالي، من المتوقع أن تؤدي زيادة حجم الإنتاج وتحسين تكنولوجيا البطاريات إلى تقليل تكاليف الإنتاج. ففي الفترة من عام 1997 إلى عام 2004، على سبيل المثال، انخفض سعر بطارية هيدريد معدن النيكل، المستخدمة في السيارات الهجين، بمقدار النصف، وكذلك انخفض وزنها. ومع ذلك، تمثل البطارية حوالي 50% من الزيادة في أسعار السيارات الهجين اليوم. وتخطط شركة تويوتا وحدها لإنتاج جميع موديلاتها تقريباً بنسخة هجينة أيضاً، وبيع مليون سيارة هجينة كل عام في جميع أنحاء العالم خلال العقد المقبل. ومن المتوقع أن تؤدي جهودها إلى زيادة حجم الإنتاج وتشجيع انخفاض السعر.

أنواع السيارات الهجينة

ويتم تصميم السيارات الهجينة على عدة مستويات، وذلك حسب مستوى الاقتصاد في استهلاك الوقود الذي يهدف إليه المهندس. تستفيد السيارة الهجينة "الكاملة" من طرق توفير الوقود المختلفة. في السيارة الهجينة "المعتدلة" توجد إستراتيجيات أقل لتوفير الوقود، لتوفير تكاليف الأنظمة الإضافية. في حين أن السيارة "الهجينة الدقيقة" لا تقوم بإيقاف تشغيل المحرك إلا عند التوقف من أجل تحسين طفيف في استهلاك الوقود.

يمكن لسيارة هجينة كاملة، مثل تويوتا بريوس، أن توفر تحسنًا بنسبة 60٪ أو أكثر في استهلاك الوقود. إن أكبر التوفير الذي تحققه السيارة الهجينة الكاملة يأتي من الكبح المتجدد، وهي تقنية تلتقط معظم الطاقة التي يتم إهدارها عادةً في تسخين الفرامل، وتحولها إلى طاقة كهربائية. فكما يستطيع المحرك تحويل الطاقة الكهربائية المخزنة في البطارية إلى عزم دوران كهربائي (القوة التي تدير العجلات وتدفع السيارة)، فمن الممكن عكس العملية، وتوليد الكهرباء من عزم دوران الطاقة الناتج عن تباطؤ السيارة. تحريك السيارة وتخزينها في البطارية.

إن القيادة في المدينة، والتي تجبر السائق على استخدام المكابح بشكل متكرر، هي أفضل فرصة لاستعادة طاقة المكابح، ولكن العملية تكون فعالة أيضًا عند القيادة صعودًا وهبوطًا على الطرق الجبلية. في الوقت الحاضر، تخزن السيارات الهجينة حوالي نصف طاقة الكبح. وفي المستقبل، ستسمح البطاريات المحسنة والأنظمة الأكثر تطوراً للسيارات بتخزين المزيد من الطاقة المتاحة.

مثل أي محرك، يعمل محرك الاحتراق الداخلي أيضًا بكفاءة أكبر في نطاق محدود من عزم الدوران والسرعات. نظرًا لأنه في السيارة الهجينة، يمكن للبطارية والمحرك الكهربائي توفير الطاقة الإضافية اللازمة للتسارع أو الصعود، ويمكن للمهندسين تقليص حجم محرك الاحتراق في السيارة وإعادته إلى التشغيل الأمثل من خلال تشغيله فقط في نقاط التشغيل الفعالة، حيث يحترق وقود أقل بكثير. وعند الضرورة، يمكن للسيارة دمج المحرك الكهربائي إلكترونيًا، بحيث يوفر الطاقة الإضافية اللازمة.

قامت بعض الشركات المصنعة للسيارات الهجينة الكاملة، مثل تويوتا وفورد، باستبدال المحرك القياسي المعتمد على عملية تسمى "دورة أوتو"، والتي تستخدمها معظم السيارات التي تعمل بالبنزين، وبدأت في استخدام تكوين أكثر كفاءة في استهلاك الوقود استنادا إلى "دورة أتكينسون". يستخدم محرك دورة أتكينسون الحديث التحكم الإلكتروني وتوقيت صمام السحب للحصول على انتشار أوسع لخليط الوقود والهواء المحترق في أسطوانة المكبس، مما يسمح للمحرك باستخدام الوقود بكفاءة أكبر. وحتى الآن، لم يستخدم المهندسون دورة أتكينسون إلا نادرا، لأن التحسن في استهلاكها للوقود يأتي على حساب الطاقة التي تنتجها. لكن في السيارة الهجينة، يمكن للمحرك الكهربائي تعويض الطاقة المفقودة. عند القيادة على الطريق السريع، يمكن أن يؤدي الجمع بين محرك أتكينسون وتوفير الطاقة الناتج عن استعادة طاقة الكبح إلى كفاءة إجمالية في النظام الهجين تتجاوز كفاءة محرك الديزل الحديث - محرك الاحتراق الداخلي الرائد في هذا الصدد.

في السيارات الهجينة من الممكن تجنب أوجه القصور الإضافية التي تعاني منها السيارات العادية حيث يقوم محرك البنزين بتشغيل مكيف الهواء، ونظام التوجيه المعزز، ونظام المياه، ومضخة الزيت، والمروحة وغيرها من الأنظمة المستهلكة للطاقة. وفي السيارة الهجينة، تعمل البطارية الكبيرة والإلكترونيات الرخيصة على تشغيل هذه المكونات الكهربائية الفعالة. في يوم صيفي حار، يمكن لمكيف الهواء الكهربائي أن يستهلك طاقة أقل بنسبة 20% من مكيف الهواء الذي يستخدم المحرك.

ميزة أخرى كبيرة من حيث استهلاك الوقود في السيارة الهجينة الكاملة تأتي من القدرة على استخدام البطارية والمحرك الكهربائي لقيادة السيارة بدون محرك الاحتراق. وبعد ذلك، عندما يحرق محرك الاحتراق الوقود دون داعٍ، على سبيل المثال، عند التوقف أو بسرعة منخفضة، يمكنك تشغيل السيارة كمركبة كهربائية لكل شيء وتوفير الوقود.

توفر أنظمة الطاقة الهجينة الخفيفة، مثل نظام المحرك المساعد الكهربائي المتكامل في طرازات هوندا الجديدة Insight وCivic وAcord، توفيرًا يصل إلى 35% في استهلاك الوقود. وبالإضافة إلى دوره عند القيادة في ظروف التوقف والانطلاق، فإن المحرك الكهربائي في السيارات الهجينة الخفيفة يساعدها على التسارع، كما يقوم بتخزين بعض طاقة الكبح.

في السيارات الهجينة الصغيرة، أو السيارات الهجينة ذات نظام إيقاف القيادة، مثل تلك التي تبيعها شركة جنرال موتورز، يتوقف محرك الاحتراق عن العمل عندما تتوقف السيارة، ويقوم نظام مولد التشغيل بتشغيل المحرك بمجرد أن يضغط السائق على دواسة الوقود. مثل هذه السيارة، التي تستخدم محركًا كهربائيًا لقيادة مختلف وسائل المساعدة، ولكن ليس العجلات، تحقق تحسنًا بنسبة 10% في استهلاك الوقود أثناء القيادة في المناطق الحضرية، ولكنها تحقق تحسنًا طفيفًا فقط على الطريق السريع.

قواعد القانون

من المرجح أنه بمرور الوقت ستزداد أهمية إحدى مزايا السيارة الهجينة: تحسين استهلاكها للوقود مما يقلل من انبعاث ثاني أكسيد الكربون، وهو الغاز الرئيسي للاحتباس الحراري، إلى الغلاف الجوي. من المحتمل جدًا أن تتأثر سياسة النقل الفيدرالية الأمريكية في المستقبل بالمخاوف بشأن تغير المناخ. وقد قامت العديد من السياسات الصناعية بالفعل بتشديد معايير استهلاك الوقود من أجل خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. وفي الولايات المتحدة الأمريكية، أصدرت ولاية كاليفورنيا في عام 2002 قانونًا للحد من انبعاثات الغازات الدفيئة من المركبات بنسبة 30٪ حتى عام 2016. كما انضمت مجموعة أخرى من الولايات في الولايات المتحدة إلى هذه السياسة (على الرغم من أن شركات صناعة السيارات قدمت التماسات قانونية ضد هذه الخطوة). .

تجمع السيارات الهجينة التي يتم شحنها من الشبكة الكهربائية بين مزايا تقنية القيادة الكهربائية ومزايا تقنية القيادة الهجينة. وهي تعمل بكامل طاقتها في الوضعين الكهربائي والهجين، مما يتيح توفيرًا أكبر في الانبعاثات واستخدام الوقود. تعمل هذه السيارات جزئيًا بالكهرباء المنتجة في محطات الطاقة المحلية، مما قد يقلل من اعتماد الأمة الأمريكية على النفط، كما أنها توفر لمحطات الطاقة سوقًا ثابتًا للكهرباء خارج ساعات الذروة، وتزود السائقين بوقود أنظف وأرخص بكثير. خيار. ومثل السيارة الهجينة العادية، يمكن للسيارة الهجينة الموصولة بالكهرباء حرق البنزين لمسافة طويلة والتزود بالوقود بسرعة. علاوة على ذلك، لا يوجد سبب يجعل السيارات الهجينة أكثر تعقيدًا أو أثقل أو أكثر تكلفة من النماذج الهجينة المتوفرة اليوم. أولاً، سوف تتقلص محركات الاحتراق الداخلي لديهم مع نمو البطاريات والمحركات الكهربائية. ثانياً، تتناقص أسعار البطاريات والمكونات الإلكترونية بشكل مطرد.

وبأسعار الوقود اليوم، تبلغ تكلفة تشغيل سيارة عادية في الولايات المتحدة 7.5 سنتاً لكل كيلومتر. ومن ناحية أخرى، سوف يكون من الممكن تشغيل السيارة الهجينة بتكلفة سنتان لكل كيلومتر باستخدام الكهرباء المنزلية، والتي يبلغ متوسط ​​سعرها في الولايات المتحدة نحو 2 سنتات لكل كيلووات/ساعة. وبالنظر إلى أن نصف السيارات في الولايات المتحدة لا تسير أكثر من 8 كيلومترًا في اليوم، فإن استخدام السيارات الهجينة القابلة للشحن وبطارية قادرة على توفير الطاقة لمسافة 40 كيلومترًا سيسمح بتقليل الاستهلاك بنسبة تصل إلى 32%. من الوقود المنتج من النفط. حتى الشخص الذي يقود كل يوم في سيارة هجينة قابلة لإعادة الشحن إلى مكان عمل بعيد سيكون قادرًا على القيادة معظم الأيام بكهرباء غير مكلفة سيتم تخزينها في بطارية متقدمة سيتم شحنها طوال الليل عن طريق توصيلها بمأخذ التيار الكهربائي المعتاد في المنزل. وسيتم إعادة شحنها في مكان العمل خلال النهار.

تتيح البطارية الأكبر حجمًا في السيارات الهجينة، جنبًا إلى جنب مع المحرك الكهربائي المعزز، تقليلًا كبيرًا في استهلاك محرك البنزين والأنظمة الميكانيكية الأخرى المرتبطة به. قام باحثون في جامعة كاليفورنيا في ديفيس ببناء نموذج أولي لسيارات هجينة يمكنها السفر لمسافة 100 كيلومتر تقريبًا بالكهرباء وحدها، مع محرك احتراق أقل من نصف حجم المحرك التقليدي. تخضع حاليًا ثماني سيارات ركاب وسيارات الدفع الرباعي الخاصة بها للاختبار. كشفت شركة دايملر-كرايسلر في عام 2005 عن أول نموذج أولي لسيارة هجينة من إنتاج شركة كبرى لصناعة السيارات. لقد كانت نسخة هجينة من سيارة مرسيدس. تحتوي الشاحنة المطورة على محرك احتراق داخلي بقوة 143 حصانًا، ومحرك كهربائي بقوة 120 حصانًا. ويمكنها السفر لمسافة 30 كيلومترًا في الوضع الكهربائي الكامل. استهلاكها للوقود أقل بنسبة 40% من الشاحنة العادية وتسارعها أفضل. حتى الآن، تم تشغيل عدد محدود فقط من المركبات الهجينة من هذا الطراز.

مع تقدم تكنولوجيا البطاريات، سيتمكن المهندسون من تطوير سيارات هجينة تستهلك وقودًا أقل بكثير من المركبات التقليدية. وقد يصل مدى القيادة في المدينة، بخزان وقود ممتلئ وبطارية مشحونة، إلى 1,000 إلى 1,600 كيلومتر. ويعتمد حجم أنظمة الطاقة المختلفة في كل سيارة على احتياجات القيادة للمشتري. قد يفضل الأشخاص الذين يسافرون مسافات طويلة كل يوم شراء سيارة هجينة مزودة ببطارية أكبر، على الرغم من أننا نعتقد أن نطاق 30 كيلومترًا بالمحرك الكهربائي بالكامل سوف يرضي معظم المستهلكين.

وسوف تعوض فواتير الوقود المنخفضة السعر المرتفع للسيارة الهجين، على افتراض استمرار تكنولوجيا البطاريات في التطور وانخفاض التكاليف. يمكن أن يصل سعر بطارية كهروكيميائية واحدة ذات نطاق متزايد حاليًا إلى 10,000 دولار. ونحن نعتقد أن بطارية هيدريد معدن النيكل، أو بطارية الليثيوم أيون بسعر معقول أقل من 3,000 دولار، سوف توفر في نهاية المطاف ما يكفي من الطاقة لمسافة 30 كيلومترا وأكثر. وعندما يحين الوقت، يمكن للمرء أن يتوقع أن يقوم المهندسون بإطالة عمر هذه البطاريات إلى أكثر من 15 عامًا و240,000 ألف كيلومتر.

أيضًا، بمساعدة محرك احتراق داخلي محسّن، ستتمكن السيارات الهجينة المزودة بالكهرباء من العمل بمزيج من 15% بنزين و85% وقود حيوي، مثل، على سبيل المثال، الإيثانول المنتج من السليلوز (يتم إنتاج هذا الإيثانول من مصادر أخرى غير حبات الذرة مثل المخلفات الزراعية ومحاصيل الطاقة المخصصة). وستكون هذه المركبات قادرة على قطع مسافة 800 كيلومتر بمزيج من 4 لترات من البنزين و20 لترا من الإيثانول، وبذلك تشارك في استراتيجية طويلة المدى مصممة للتعامل مع الاستنزاف الحتمي لمصادر النفط العالمية، والذي سيأتي بعد استغلالها. يصل إلى ذروته.

يُزعم أن السيارات الهجينة تتمتع بمزايا فريدة إضافية. وبما أنه من الممكن ربطها بشبكة الكهرباء، فيمكنك الاستفادة من أسعار الكهرباء خارج ساعات الذروة، وهي أقل بكثير من الأسعار العادية للاستهلاك المنزلي. وتحصل محطات توليد الكهرباء على فائض من الكهرباء بشكل رئيسي في الليل، لأن الأحمال القصوى ترجع إلى تكييف الهواء في فصل الصيف. وسيكون من الممكن شحن السيارات الهجينة التي يتم شحنها أثناء الليل، وتغذية الكهرباء أو تقديم خدمات التحكم في الجهد للشبكة خلال النهار، عندما يكون استهلاك الكهرباء في ذروته. بل إنه من الممكن أن يتمكن أصحاب السيارات من الحصول على رصيد أو دفعة من محطات الطاقة مقابل هذه الخدمة. ووفقا للباحثين في جامعة ديلاوير، فإن القيمة المالية المحتملة لمثل هذه الخدمة كبيرة، حيث تصل إلى 3,000 دولار سنويا، وهو المبلغ الذي يمكن أن يدعم تكلفة شراء سيارة هجينة أو بطاريتها. يمكن الافتراض أن محطة الطاقة ستقوم بتأجير السيارات الهجينة للعملاء أو الشركات التي ستوافق على توصيل السيارة بالشبكة عندما لا تكون على الطريق، وتسمح لمحطة الطاقة بالتحكم في أوقات الشحن والتفريغ البطارية، اعتمادًا على الإنتاج في المحطة أو احتياجات التحكم في الجهد. مثل هذا الترتيب سيساعد محطات الطاقة على موازنة الأحمال، على سبيل المثال.

ويزعم صناع القرار السياسي الذين يشعرون بالقلق إزاء ظاهرة الانحباس الحراري العالمي أن السيارات الهجينة تتمتع بميزة تتفوق بها على غيرها من تكنولوجيات السيارات الخضراء المرغوبة ـ السيارات التي تعمل بخلايا الوقود الهيدروجيني. وستكون السيارات الهجينة أفضل في استخدام الكهرباء الخالية من الكربون، لأن عملية التزود بالوقود بالهيدروجين باهظة الثمن وغير فعالة في الأساس. إن اقتصاد الهيدروجين الفعال سوف يحتاج إلى بنية تحتية قادرة على استخدام الكهرباء الخالية من الكربون لتحليل الماء كهربائياً إلى هيدروجين وأكسجين، وتدفق هذا الغاز المخلخل عبر مسافات طويلة وملء خزانات الضغط العالي في السيارات به. وكل هذا - لتحويل الهيدروجين إلى كهرباء في خلية الوقود التي ستدير المحرك الكهربائي في السيارة. إن عملية التحليل الكهربائي والنقل والضخ والتحويل بأكملها في خلية الوقود ستترك فقط 20% إلى 25% من الكهرباء الأصلية الخالية من الكربون لتشغيل المحرك نفسه. من ناحية أخرى، في السيارات الهجينة تتم عملية نقل الكهرباء، حيث أن شحن البطارية في السيارة وتفريغ البطارية سيترك ما بين 75% إلى 80% من الكهرباء لتشغيل المحرك. وبالتالي، ستكون السيارة الهجينة قادرة على قطع مسافة أكبر بثلاثة إلى أربعة أضعاف لكل كيلووات/ساعة من الكهرباء من مصادر متجددة مقارنة بالسيارة التي تعمل بخلية وقود ذات محرك يسار.

إذا ظلت الاتجاهات الحالية في أسعار الوقود والمخاوف بشأن تغير المناخ دون تغيير، فإننا نتوقع أنه بحلول عام 2020 تقريبًا سيكون هناك تغيير واسع النطاق في السوق، وبعد ذلك سيكون لدى معظم طرازات السيارات نسخة بمحرك هجين. في رأينا، بعد فترة وجيزة، ستكتسب السيارات الهجينة مكانة السيارات البديلة الحاكمة. وتعتمد سرعة العملية بشكل خاص على ارتفاع أسعار النفط وسياسة الحكومة فيما يتعلق بالتغير المناخي وأمن الطاقة. وعندما يعمل نظام النقل العالمي أخيراً على الحلول محل النفط كمصدر رئيسي للطاقة، فإن النوع الأكثر ترجيحاً من المركبات سوف يكون سيارة هجينة مرنة في استهلاك الوقود، والتي ستعمل بمزيج من الكهرباء الخالية من الكربون وخليط من الوقود الحيوي. إذا حدث تحسن كبير في أداء البطاريات في مرحلة ما، فمن المحتمل أن يتمكن السائقون من التحول إلى السيارات الكهربائية بالكامل. سيكون من الحكمة بالنسبة لنا أن نتبنى تكنولوجيا النقل الشخصية المفيدة هذه في أسرع وقت ممكن.
نظرة عامة على السيارات الهجينة

يتم تشغيل عدد صغير ومتزايد من السيارات والشاحنات الهجينة بواسطة مزيج من محرك كهربائي ومحرك تقليدي يعمل بالبنزين. بدأت هذه التكنولوجيا، التي تؤدي إلى تقليل استهلاك الوقود، في التطور بسرعة.

نظام الطاقة الهجين يجعل السيارات أكثر تكلفة اليوم بعدة آلاف من الدولارات. يتعين على مالك السيارة أن يقودها لبضع سنوات حتى يسدد توفير الوقود الاستثمار الأولي الإضافي. ولكن مع تحسن تكنولوجيا البطاريات وزيادة حجم الإنتاج، من المتوقع حدوث انخفاض حاد في زيادة الأسعار.

ومن المحتمل أن يؤدي تطوير بطاريات أفضل أيضًا إلى تشجيع الإنتاج التجاري للسيارات الهجينة التي يمكن شحنها طوال الليل من شبكة الكهرباء، والاستفادة من الأسعار المنخفضة المنخفضة. وبما أن معظم محطات الطاقة الأمريكية تولد الكهرباء من مصادر الطاقة المحلية مثل الفحم والطاقة النووية والطاقة الكهرومائية، فإن التحول سيقلل من اعتماد الولايات المتحدة على استيراد نفط النقل من الدول الأجنبية.

يستخدم المهندسون العديد من استراتيجيات توفير الطاقة في السيارات الكهربائية الهجينة، والتي تجمع بين محرك البنزين والمحرك الكهربائي. يتم هنا تفصيل سيارة هجينة "كاملة"، مثل سيارة تويوتا بريوس، حيث يتم استخدام جميع التقنيات الموصوفة. يمكن للسيارات الهجينة الكاملة توفير أكثر من 60% من الوقود، في حين توفر السيارات الهجينة "الخفيفة" ما يصل إلى 35% والسيارات "الهجينة الصغيرة" حوالي 10%.

باستخدام المكونات الكهربائية الموفرة للطاقة في السيارات العادية، يقوم مكيف الهواء والمقود ومضخات الماء والزيت والمراوح بسحب الطاقة الميكانيكية مباشرة من أجزاء المحرك الدوارة، وذلك باستخدام الأحزمة. ولكن نظرًا لأن هذه المكونات كهربائية، فإنها تعمل بشكل أفضل مع جهد البطارية الثابت بدلاً من الأنظمة الميكانيكية التي يجب أن تتكيف مع سرعات المحرك المختلفة. وتتيح البطارية الكبيرة للسيارة الهجين إمداد هذه المكونات بالكهرباء مباشرة، وبالتالي توفير الطاقة.

تصميم محرك الاحتراق بحيث يتم إيقاف تشغيله عند التوقفات لا تعمل محركات الاحتراق العادية بكفاءة عند التوقف عند إشارات المرور وعند القيادة بحمولة منخفضة. وتعمل السيارات الهجينة على تقليل هذه الخسائر من خلال إيقاف تشغيل محرك الاحتراق والاعتماد على المحرك الكهربائي والبطارية كمصدرين للطاقة في السيارة.

التقاط الطاقة المهدرة

يأتي جزء كبير من توفير الوقود من نظام الكبح المتجدد، الذي يعيد جزءًا من الطاقة التي كان من الممكن أن يتم فقدها كطاقة حرارية نتيجة الاحتكاك عندما تتباطأ السيارة. ومن حيث المبدأ، عند تشغيل النظام، يتحرك المحرك الكهربائي في الاتجاه المعاكس، مثل المولد، ويحول طاقة العجلات إلى كهرباء مخزنة في البطارية.

تغيير نوع المحرك

قامت بعض الشركات المصنعة للسيارات باستبدال محرك البنزين العادي الذي يعمل بطريقة "دورة أوتو" بمحرك يعمل بطريقة "دورة أتكينسون". مثل هذا المحرك يحرق الوقود بشكل أكثر كفاءة، ولكن حتى الآن لم يتم استخدامه كثيرًا لأن قوته أقل. يعوض المحرك الكهربائي للسيارة الهجينة الطاقة المفقودة.

محرك أصغر

تعمل محركات الاحتراق على النحو الأمثل عند سرعات معينة وعند مستويات معينة من عزم الدوران، لكن السيارات العادية تضطر إلى العمل ضمن نطاق واسع من الطاقة أثناء القيادة اليومية. قدرة المحرك الكهربائي على تعزيز محرك الاحتراق أثناء التسارع أو الصعود تسمح لمصممي السيارات الهجينة بتقليص حجم محرك الاحتراق.

في المستقبل - الكهرباء من الشبكة في الجيل القادم من نماذج السيارات الهجينة، ستكون السيارة قادرة على الشحن طوال الليل، أي خارج ساعات الذروة، عندما تكون أسعار الكهرباء رخيصة، وذلك باستخدام بطارية أكبر وكابل كهربائي مع قابس. وبهذه الطريقة سيكون من الممكن تلبية أكثر من نصف احتياجات القيادة للمواطن الأمريكي العادي باستخدام كهرباء أرخص (وأكثر نظافة) من شبكة الطاقة المركزية.

عن المؤلفين:

لقد دعم جوزيف ج. روم وأندرو أ. فرانك اعتماد تكنولوجيا السيارات الهجينة لسنوات عديدة. يعمل روم، الذي حصل على درجة الدكتوراه في الفيزياء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، كمدير رئيسي في شركة استشارات الطاقة النظيفة Capital E. وأحدث كتاب له هو جنون الهيدروجين: حقائق وقصص في السباق لإنقاذ المناخ. (الجزيرة برس، 2004). ومن خلال منصبه كنائب لوزير الطاقة بالإنابة في أواخر التسعينيات، ساعد روم في جهود الوزارة لتطوير واستخدام تقنيات الطاقة المتقدمة. حصل فرانك على درجة الدكتوراه في جامعة جنوب كاليفورنيا. شغل منصب أستاذ الهندسة الكهربائية في جامعة ويسكونسن في ماديسون لمدة 90 عاما، وهو الآن أستاذ الهندسة الميكانيكية وهندسة الطيران في جامعة كاليفورنيا، ديفيس. وتشمل اهتماماته البحثية هندسة السيارات الهجينة المتقدمة، بما في ذلك السيارات الكهربائية.

سيارات هجينة

في العالم الحقيقي، أصيب بعض مشتري السيارات بخيبة أمل لأن سياراتهم الهجينة لم تحقق الاقتصاد الممتاز في استهلاك الوقود الذي وعدت به تصنيفات وكالة حماية البيئة الأميركية. وهي لا تختلف عن أغلب السيارات في هذا المجال، وكثيراً ما تحقق اقتصاداً أسوأ بكثير في استهلاك الوقود. عدة عوامل (أعلنت وكالة حماية البيئة عن مراجعات لإجراءات الاختبار الخاصة بها في أوائل عام 2006 والتي قد تعالج بعض المشاكل.) إجراءات اختبار وكالة حماية البيئة سيئة. إن دورة القيادة المستخدمة في اختبارات الاقتصاد في استهلاك الوقود الحكومية لا تعكس تجربة القيادة الفعلية و ظروف الطريق لأنها مبنية على افتراضات غير واقعية حول عادات القيادة النموذجية.

على سبيل المثال، أعلى سرعة قيادة على الطريق السريع هي 90 كم/ساعة في الاختبار، وفي المقابل فإن السائق العادي يتجاوز هذه السرعة في كثير من الأحيان، مما يؤدي إلى زيادات موسمية كبيرة في الاستهلاك. وفي السيارات الهجين مثل تويوتا بريوس، يقرر برنامج كمبيوتر متى يتم تشغيل محرك الاحتراق، ومتى يتم تشغيل المحرك الكهربائي، ومتى يتم شحن البطارية. يتطلب استهلاك التدفئة في فصل الشتاء التدخل في تشغيل البرنامج لتحسين أداء النظام الكهربائي، لأنه من الضروري تشغيل المحرك في كثير من الأحيان. النتيجة: في السيارات الهجينة هناك زيادة أكبر في استهلاك الوقود في الشتاء مقارنة بالسيارات العادية. ليس هناك مفر من حقيقة أن أصحاب السيارات الهجينة الذين يعيشون في الشمال البارد سيشهدون انخفاضًا حادًا في الاقتصاد في استهلاك الوقود مقارنة بتصنيف وكالة حماية البيئة المحدد في نطاق درجة حرارة يتراوح بين 20 درجة مئوية إلى 30 درجة مئوية.

تصميم هجين مدمج.

ونظرًا لأن السيارات الهجينة تعتمد على أنظمة استعادة طاقة الكبح، فإن استهلاكها للوقود يكون أكثر حساسية لأسلوب القيادة. السائقون الذين يقومون بتكييف قيادتهم مع السيارة الهجينة، على سبيل المثال من خلال التوقف حتى التوقف، يبلغون عن أرقام استهلاك الوقود قريبة من تصنيف وكالة حماية البيئة (EPA).

يمكن أن تتسبب القيادة العدوانية في انخفاض كفاءة الاقتصاد في استهلاك الوقود بنسبة تزيد عن 30%، لكن تأثيرها في المركبات العادية يكون أقل بكثير. بشكل عام، تحقق السيارات الهجينة الكاملة اقتصادًا جيدًا في استهلاك الوقود أثناء القيادة في المدينة وميزة أقل في القيادة على الطرق السريعة.

المزيد عن هذا الموضوع

السيارة ووقود المستقبل. تقرير جوزيف روم للجنة الوطنية لسياسة الطاقة، 2004

قيادة الحل: السيارة الهجينة القابلة للشحن. لوسي سانا في مجلة EPRI؛ خريف 2005

المزيد عن السيارات الهجينة الإضافية: www.calcars.org
المزيد عن السيارات الهجينة: www.hybridcars.com
مقالات Andrew A. Frank الفنية حول السيارات الهجينة الموصولة بالكهرباء: www.team-fate.net